船舶电站自动并车装置信号检测原理与实现

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传感器技术 Journal of Transducer Technology 2001 年 第20 卷 第3 期
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船舶电站自动并车装置信号检测原理与实现

解 源 , 杨国豪 , 王 恒 , 华增芳

(集美大学 信息工程学院 ,福建 厦门 361021)

摘 要:论述船舶电站可编程序自动并车装置对并车信号检测的基本要求、信号检测的原理以及并车条件

的实现。

关键词:船舶电站; 自动并车条件; 信号检测

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中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1000 - 9787 2001 03 - 0042 - 03

Signal testing principle and realization of the
auto - parallel set in ship power station

XIE Yuan , YANG Guo - hao , WANG Heng , HUA Zheng - fang

( Coll. of Info. Engin. ,Jimei University , Xiamen 361021 , China)

Abstract :The basic requirement and principle for auto - parallel signal testing ,realization of automatic parallel condition

are discussed.

Key words :ship power station ; auto - parallel condition ; signal testing

0 前 言 方式。随着船舶电站自动化程度的不断提高和微机控

船舶电站是由原动机、发电机、测量仪表、控制 制技术的不断普及,以微型计算机为核心的先进数字

设备、开关电器及保护装置组合而成 ,它是整个船舶 控制的自动并车装置已显示出其独特的优越性。

的核心。船舶电力负荷随船舶工作情况的变动而经 所研制的自动并车装置采用 FX2N 可编程序控

常变动,如航行工况与停泊无装卸工况的负荷差别 ( )
制器 简称 PLC 为核心 ,具有结构简单、可靠性高、
很大。对发电机而言 ,一般都设计在接近满负荷使 编程方便、控制灵活等特点。并车装置的信号检测

用时具有最高的效率。因此 ,船舶电站总是由 2 台
被作为实现自动并车的重点研究课题。
以上的发电机组成。在小负荷时,适宜于单机运行
1 自动并车信号检测的原理
( )
在电网上运行的发电机简称在网

机 ,而负荷大时 ,
把待并发电机组准确地并入电网 ,进行自动准
( )
则需将备用发电机 简称待并机 起动后并入电网并
同步并车必须满足以下三个条件[1 ] :
联发电 ,即采用二台或二台以上的发电机并联运行
( )
1 待并机和在网机电压一致;
给船舶电力负荷供电 ,从而保证船舶电力系统在不
(2) 待并机和在网机频率一致;
同工况下连续可靠地、高效率地工作。
(3) 待并机和在网机相位一致。
在船舶电站中 ,将发电机组自动并入电网并联
只有这样,才能保证并车时无大的冲击电流 ,并
( )
运行 简称自动并车 是船舶电站自动化的主要功能
之一。自动并车装置通常采用模拟控制或数字控制 且并联后保持稳定的同步进行。否则 ,将产生较大

的冲击电流,严重时将造成整个船舶电力系统崩溃 ,

收稿日期:2001 - 01 - 03

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第3 期 解 源等:船舶电站自动并车装置信号检测原理与实现
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Δ
中断全船供电。下面分别对电压、频率、相位三个 当频率差 f 方向和大小不满足并车条件时,

参数的自动检测进行论述。 PLC 发出加/ 减速度控制信号, 调节原动机的转速,

1. 1 电压信号检测 从而改变发电机的频率使之满足频率并车条件。若

电压条件的满足是实现自动并车三个条件的首 出现频率异常时, 亦可发出报警信号。

要条件。首先需要检测待并机是否建立电压 ,并且 1. 3 相位信号检测

要求待并机电压 UF 达到电网额定电压 Ue 的85 % 相位信号检测是实现自动并车的最后一个条件

以上, 允许合闸的电压差范围 < 15 %Ue 。 和难点。

取出在网机和待并机正弦波电压信号, 分别经 在电压和频率的并车条件满足时 ,尽可能的捕

变压器降压后整流、滤波变成直流信号 UW 和 UF , 再 捉待并机与在网机的同相位点 ,即合闸时刻。在此,

将 UW 、UF 送入

电压比较器进行比较, 然后将比较 必须考虑各种主空气开关的固有合闸时间 , 以此来

结果送至 PLC 输入接口 ,PLC 根据电压比较器是否 计算合闸提前量。

翻转即可判断出待并机电压条件是否满足。当电压 本装置采用恒定超前时间法获取合闸提前量 ,

条件不满足时 ,发出升/ 降电压控制信号,调节调压 先把各发电机组正弦波电压通过波形变换成相应的

器使之满足电压并车条件。若电压出现异常 ,可发 同频方波,再对待并机 和在网机的电压方波进行检

出报警信号。 测和计算, 并分别读取 UF 、UW 上升沿对应的时间

值, 由其时间差值 tZ 即可换算出待并机与在网机电
1. 2 频率信号检测
压正弦波的相位差, 如图 1 所示。
频率信号检测是实现自动并车的重要环节。首

先对在网机频率f W 进行检测, 自动调整到50 Hz 。再

Δ
对待并机频率f F 进行检测, 鉴别频差 f = f F - f W

方向及计算频差大小。当待并机频率f F 略高于在网

Δ
机频率f W 时即 f > 0 , 这样并车后就可以分担少量

Δ
负载, 对并车成功有利。为避免出现 f < 0 时的异

( )
常 逆功率 情况, 提高并联运行的稳定性, 按规范

允许合闸频差范围在0. 1 ～0. 3 Hz 。

频率检测的关键部件是与各发电机组同轴转动

的光电编码器,光电编码器随着发电机轴的转动输
图1 超前时间获取
出个数正比于转速的脉冲信号,把该脉冲信号送入
Fig. 1 Acquirement of beforehand time
( )
PLC 高速计数器 即输入端口 X000 、X001 进行计

数 ,即可检测出在网机和待并机的转速进而换算出 设待并机和在网机电压周期分别为 TF 、TW , 主

频率值。 开关固有动作时间为 tK 。可由相关函数关系 tZ =

本装置选用LF - 200BM - C24C 型光电编码器, [2]
t ( T - T ) / T 确定唯一的理想合闸点 t 。利用
K W F F Z

每转可发出高达2 000 个脉冲 ,保证了频率检测与调 10 kHz 的高速环形计数器跟踪计算 UF 相对于 UW 的

节的快速性和精确度。如控制对象为 50 Hz 、
相对位置, 不

断将实测值 tZ 与理想值相比较, 当差
1 500 r/ min的同步发电机组, 在 200 ms 内( T = 值非常小时发出合闸脉冲, 从而实现准确合闸。

)
1/ 50 s 对转速脉冲采样计数, 可推导出频率f 与计 经反复实验证明, 该合闸时刻最大相角误差

数值N 关系为 Δθ
| | < 10°, 完全满足了准同步并车的相位条件。
f = N/ 200. 本装置原理框图如图2 所示。

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传 感 器 技 术 第 20 卷
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图2 自动并车装置原理框图

Fig. 2 Auto - parallel set scheme

2 自动并车检测条件的实现 异常时报警显示。子程序 2 —频率条件:检测 PLC

2. 1 接口通道的实现 输入端口频率信号f F 、f W , 进行频差方向和频差大

( )
1 待并机和在网机相电压 UF 、UW 信号取至电 小判断, 当条件满足时进入子程序3; 否则进行频率

压互感器, 经变压器降压、波形变换电路变为方波信 调节; 当频率异常进行报警显示。子程序3 —相位条

号, 加至电压比较器进行二路信号比较, 比较结果送 件:检测信号 TF 、TW 和主开关固有动作时间, 按前

到 PLC 输入端进行电压差判断与控制; 述原理方法比较获取合闸提前量 tZ , 并在适当时机

(2) 用LF - 200BM - C24C 型光电编码器与发电 发出合闸指令; 倘并车操作失效, 给出“并车失败”

机同轴安装 ,光电编码器随发电机轴的转动输出个 指示。

( )
数正比于转速的脉冲信号 2 000 个脉冲/ r ,将脉冲 3 结 论

信号接至 PLC 输入端口即高速计数器端口 ,进行频 在信号检测技术与 PLC 控制技术有机结合的

差方向、大小鉴别与控制; 基础上研制成功的“一种新型船舶电站可编程序自

( ) 动并车装置”,通过厦门诚毅船务公司“育嘉”轮的实
3 利用高速环形计数器测量、计算合闸提前

量 ,从而进行合闸时刻的判别与实现; 船使用 ,表明该装置性能稳定 ,可靠性高 ,缩短了并

( )
4 PLC 输出接口分别接调压、调速控制继电 车的过程 ,减少

了并车过程对电网的冲击 ,提高了电

器 ,实现机组的升/ 降压、加/ 减速控制; 力系统的供电品质。它使船舶电站自动化总体水平

( )
5 PLC 合闸信号送至控制屏主开关的合闸线 有了进一步提高 ,具有广阔的市场前景。

圈实现合闸控制;
参考文献:
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6 设置机组运行指示、故障显示、并车失败报
[1 ] 黄伦坤 ,朱正鹏,刘宗德. 船舶电站及其自动装置[M] . 北京:人

警以及故障复位按钮。
民交通出版社,1994. 21 - 23.

2. 2 程序设计的实现 [2 ] 杨国豪,王恒,华增芳,等. PLC 船舶电站自动准同步并车装置

软件程序设计主要包含电压条件、频率条件、相 [J ] . 航海技术 ,2000 , (5) :49 - 51.

位条件这三个子程序模块。 作者简介:

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子程序 1 —电压条件:检测 PLC 输入端口电压 解　源 1956 - ,女,河北省保定市人 ,1991～1992 年在华中理

工大学作访问学者,1993 年晋升为副教授,现任集美大学信息工程
信号 UF 、UW , 进行电压差计算和条件判断 ,当条件
学院副院长并承担工程测试与自动控制方面的教学、科研工作。
满足时就进入子程序2 ;否则进行电压调节;当电压